翻译延伸领域的主要研究进展
翻译延伸领域的主要研究进展
摘 要： 翻译延伸是核糖体将信使 RNA (mRNA)蕴含的遗传信息解码为蛋白质的有序
过程,是细胞维持基本代谢活动的核心步骤。多种人类疾病(如神经退行性疾病、癌症等)都与翻
译延伸的异常有关。翻译延伸作为中心法则的关键步骤曾是现代分子生物学研究的重点内容,然
而方法学上的限制却阻碍了对其动态过程以及调控规律的进一步研究。近年来,对翻译延伸调控
相关方法的突破让与其相关的生命科学研究获得了长足的发展,尤其是近 10 年来的研究揭示了
翻译延伸的复杂调控机理和多种生物学效应,为理解蛋白表达调控和疾病发生的关联提供了新的
理论视角。本文在总结翻译延伸研究方法的基础上,重点探讨了顺式调控元件(mRNA 与新生肽
链序列)对局部翻译延伸速率的调控作用,同时列举了翻译延伸调控对模板 mRNA 和蛋白质产物
功能的影响,包括 mRNA 稳定性、蛋白质的合成与降解、蛋白质亚细胞定位以及蛋白质共翻译
折叠等,以期吸引生命科学各领域的学者共同参与翻译延伸领域的研究。
关键词： 翻译延伸; 核糖体; 核糖体印迹测序; 蛋白质共翻译折叠; 密码子使用偏好; RNA
二级结构; 新生肽链;
Abstract ：Proteins are biological macromolecules essential for cells to maintain their metabolic
activities. Proteins are synthesized during translation elongation, a synergistic process in which
ribosomes decode the genetic information transmitted in mRNA, using tRNA. Numerous human
diseases, such as neurodegenerative diseases and cancers, are known to be related to abnormal
translation elongation. Translation elongation, as one of the two critical steps for the central dogma,
used to be the focus of research in molecular biology. However, limitations in methodology had
hindered further investigations on the dynamic process of translation elongation and its regulation.
Recently, breakthroughs in methodology have revived this research field. Studies in the past decade or
so have revealed that, beyond simple decoding of genetic information in mRNA, translation elongation
entails sophisticated regulatory mechanisms and multifaceted biological consequences; such insights
have provided a novel theoretical framework for understanding the maintenance of protein
homeostasis and the development of diseases. In this review, we summarize the most updated methods
that can be used to investigate the processes of translation elongation and highlight the mechanisms by
which mRNA and protein sequences modulate the local rate of translation elongation. We further
enumerate the consequences of dysregulation in translation elongation, from various aspects such as
mRNA stability, protein synthesis and degradation, protein subcellular localization,and co-
translational protein folding. We anticipate that this review will serve to draw the attention of scholars
in various research fields to participate in the study of translation elongation.
Keyword： translation elongation; ribosome; ribo-seq; co-translational protein folding; codon
usage bias; RNA secondary structure; nascent polypeptide;
蛋白质是生命代谢最重要的有机大分子，是细胞功能的主要执行者。生物体内所有的蛋白质都
是以信使 RNA(mRNA)作为遗传信息的载体通过核糖体合成的，这一过程被称为翻译
(translation)。翻译过程是分子生物学的重要研究对象，3位美国科学家 Holley、Khorana 和
Nirenberg 凭借对三联体核苷酸密码子(codon)的破译工作于 1968 年获得了诺贝尔生理学或医学
奖。
翻译过程通常包括 4个步骤：起始(initiation)、延伸(elongation)、终止(termination)和核糖体循
环利用(recycling)。其中，翻译起始长久以来被认为是一条 mRNA 单位时间合成蛋白质数量的
主要调节因素[1]，受到翻译起始因子、Shine-Dalgarno(SD)序列等多方面的调控。然而近年来
——的研究表明，翻译延伸 核糖体从 mRNA 的5′端到 3′端定向移动的同时将三联体核苷酸密码
——子的信息解码为氨基酸序列的过程 同样受到精细且严格的调控。翻译延伸的异常将引发
mRNA 的降解、错误的蛋白质亚细胞定位和折叠以及蛋白质的非生理性聚集[2]，进而阻碍胚胎
发育与神经系统的功能维持，研究显示这些影响与包括脆性X染色体综合征(fragile X
syndrome)、神经退行性疾病(neurodegenerative diseases)和癌症在内的多种人类疾病的发生有关
[3]。
翻译延伸的过程可以分解为 3个过程：(1) ——解码过程 在核糖体中 mRNA 上的三联密码子被
特定转运 RNA(tRNA)上的反义密码子(anticodon)所识别；(2) ——肽键合成过程 将该tRNA 上携
带的氨基酸连接到肽链羧基端，同时核糖体构象发生改变；(3) ——移位过程 核糖体向 mRNA
的3′端移动一个密码子，并恢复至延伸初始构象[4]。具体而言，核糖体内部有 3个可容纳
tRNA 的位点，从 mRNA 的5′端至3′端依次被称为核糖体 E(Exit)位点、P(Peptidyl)位点和
A(Acceptor)位点。其中，A位点用于接纳携带单个氨基酸的氨酰tRNA(aminoacyl-tRNA 或aa-
tRNA)并完成密码子识别；P位点用于装载携带多肽链的肽酰tRNA(peptidyl-tRNA)；而脱酰基
后的tRNA(deacylated tRNA)则通过 E位点被核糖体释放。翻译延伸需要延伸因子(elongation
factor,EF)的辅助。结合有高能分子 GTP 的延伸因子 eEF-1(真核生物)、aEF-1(古细菌)或EF-
TU(真细菌)携带氨酰tRNA 进入核糖体的 A位点；如果该氨酰tRNA 的反义密码子可以与 A位
点处mRNA 的密码子配对识别，则引发 GTP 水解，促使EF-1/EF-TU 离开核糖体 A位点；GTP
水解提供的能量引起核糖体发生构象变化，使位于 A位点的氨酰tRNA 的3′端与位于 P位点的
肽酰基tRNA 紧密接触；当两个tRNA 同时完成A-P 位点转移(A 位点的 tRNA 部分移动到 P位
点)和P-E 位点转移后，肽键合成发生，此时由刚移动到 P位点的 tRNA 携带多肽链，并且在羧
基端增加了一个氨基酸，而刚移动到 E位点的 tRNA 则成为脱氨酰tRNA；接下来，另一个延
伸因子 eEF-2(真核生物)、aEF-2(古细菌)或EF-G(真细菌)进入A位点，并通过水解其携带的
GTP 分子将核糖体恢复至延伸初始构象(图1)。在上述过程的不断重复中，多肽链持续延伸，
直到mRNA 上的终止密码子进入核糖体的 A位点为止。
虽然翻译延伸过程是上述核心步骤的循环往复，且在真核和原核生物间高度保守，但众多研究
结果表明 mRNA 不同区域的解码速度并不恒定，在翻译过程中会存在核糖体在 mRNA 特定位
置的短期暂停(pause)甚至中止(stall)等事件，暗示着翻译延伸过程受到了严格的调控[5]。本文
将主要从研究方法、顺式调控机理和生物学效应 3个角度介绍翻译延伸领域的主要研究进展。
图1 翻译延伸过程示意图
Fig.1 Schematic of the translation elongation cycle
第一步：解码过程。结合高能分子 GTP 的翻译延伸因子 EF-1(EF-TU)携带氨酰tRNA(aa-tRNA)
进入核糖体 A位点进行密码子配对，E位点的脱氨酰tRNA 离开核糖体。第二步：肽键合成过
程。GTP 水解引发核糖体的构象变化，使其内部两个tRNA 紧密接触，肽键合成发生。第三
步：移位过程。核糖体向 mRNA 的3′端移动一个密码子，并通过水解翻译延伸因子 EF-2(EF-
G)所携带的GTP 分子提供能量，使核糖体恢复至初始构象。图制于 Biorender.com。
1 、 翻译延伸的研究方法
1.1 、 核糖体结构解析
核糖体结构的解析是研究翻译过程的重要手段，主要包括 X射线晶体解析法(X-ray
crystallography)、核磁共振波谱测定法(nuclear magnetic resonance[NMR]spectroscopy)以及冷冻
电镜技术(cryogenic electron microscopy,cryo-EM)3 大类。X射线晶体解析法获得的核糖体结构
分辨率最高(2.0～3.5?)[6]，并且常常用于翻译延伸相关复合物的结构解析[7,8]。2009 年，美国
科学家 Ramakrishnan、Steitz 和以色列科学家 Yonath 以X射线晶体解析法为基础的核糖体结构
研究获得了诺贝尔化学奖。X射线晶体解析法需要首先对核糖体进行结晶。然而，核糖体是大
量蛋白质与多条 RNA 组成的大分子复合物，且在翻译延伸过程中存在一些能量不稳定的中间
态构象，这些因素使得核糖体很难形成结晶。即使成功结晶，也会破坏构象的异质性。上述问
题阻碍了生理状态下对核糖体结构的全面与快速解析。核磁共振波谱测定法也可对核糖体结构
域[9]或者新生肽链的结构动力学[10]进行测定。尽管 Nygaard 等[11]通过固态NMR 方法解析了
大肠杆菌(Escherichia coli)完整核糖体的化学组成和分子间相互作用，但在大多数情况下 NMR
测定对象的大小局限于 500 kDa 范围内，不足以解析完整的原核核糖体(2000 kDa)或真核核糖
体(3200 kDa)结构。最近 10 年来，伴随技术的突破，冷冻电镜对核糖体结构的分辨率已经可以
与X射线晶体解析法相媲美[12,13](图2A)。冷冻电镜技术无需结晶，核糖体可保持其生理状态
下的异质性特征与翻译延伸过程的中间状态，因此，在研究核糖体及其与翻译延伸因子等形成
的大型复合物的结构时，发挥了越来越重要的作用[14,15,16,17]。
1.2 、 生化动力学研究法
翻译延伸速率(特别是肽键形成的速率)可以通过生化动力学方法研究。这通常需要人工配制的
体外翻译体系，该体系包含翻译过程所需的所有组分，并且可以通过放射性同位素或荧光对新
生蛋白质产物进行标记和浓度测定。通过检测多个时间点的蛋白质合成量，可以绘制模型曲
线，进而推算翻译延伸速率[18,19]。例如，Wohlgemuth 等[20]为了研究不同氨基酸提供羧基时
形成肽键的速率，在翻译体系中加入了嘌呤霉素(puromycin)(图2B)。嘌呤霉素可以作为氨酰
tRNA 类似物进入核糖体 A位点与位于 P位点的肽链发生类似肽键形成的生化反应，在反应结
束后终止翻译延伸并释放翻译产物。该研究在嘌呤霉素浓度饱和时测定特定氨基酸与嘌呤霉素
形成肽键的速率常数，发现氨基酸在提供羧基时的肽键形成速率不尽相同：(赖氨酸=精氨酸)>
丙氨酸>丝氨酸>(苯丙氨酸=缬氨酸)>天冬氨酸>>脯氨酸。
1.3 、报告基因检测法
使用人工构建的报告基因载体，将待检测序列插入报告基因特定位置，则可以通过分析报告基
因的表达水平估算插入序列对于翻译延伸的影响。例如，Chu 等[21]采用荧光素酶(luciferase)报
告系统，将待检测的序列插入到萤火虫荧光素酶(firefly-luciferase)的起始密码子下游，并将位
于同一载体上且具有独立启动子的海肾荧光素酶(renilla-luciferase)作为内参，通过比较两种荧
光信号的强度推测该待检测序列对翻译延伸速率的影响。
伴随着单分子荧光技术的发展，在活细胞中观察单条 mRNA 翻译动态的方法日趋成熟[22]。单
分子翻译检测技术可将人为设计的报告 mRNA 锚定在细胞膜结构上，并采用不同的荧光分子
分别标记 mRNA 和新生肽链，在较长的时间范围内持续记录翻译延伸的进程[23,24,25]。例
如，Yan 等[23]通过抑制剂阻断翻译起始，并统计单位时间内从 mRNA 上释放的带有荧光标记
的核糖体的数目，该数目越大则意味着翻译延伸越快。针对mRNA 序列进行修改，则可以进
一步探究翻译延伸速率的顺式调控因素(图2C)。该方法目前的局限性在于只适用于对单一基因
翻译过图2翻译延伸的研究方法程的逐个研究，尚无法推广到高通量研究之中。
图2 翻译延伸的研究方法
Fig.2 Methods for understanding translation elongation
标签： #翻译
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翻译延伸领域的主要研究进展 摘 要：翻译延伸是核糖体将信使RNA(mRNA)蕴含的遗传信息解码为蛋白质的有序过程,是细胞维持基本代谢活动的核心步骤。多种人类疾病(如神经退行性疾病、癌症等)都与翻译延伸的异常有关。翻译延伸作为中心法则的关键步骤曾是现代分子生物学研究的重点内容,然而方法学上的限制却阻碍了对其动态过程以及调控规律的进一步研究。近年来,对翻译延伸调控相关方法的突破让与其相关的生命科学研究获得了长足的发展,尤其是近10年来的研究揭示了翻译延伸的复杂调控机理和多种生物学效应,为理解蛋白表达调控和疾病发生的关联提供了新的理论视角。本文在总结翻译延伸研究方法的基础上,重点探讨了顺式调...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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时间：2024-04-20
